陳頌韶

(廣東理工學院 廣東肇慶 526100)

隨著全球政治、經濟格局的轉變，一種新型國際關系逐漸形成，我國科技創(chuàng)新發(fā)展進入了新的歷史發(fā)展階段[1]。縱觀中美貿易戰(zhàn)、日韓半導體貿易戰(zhàn)，充分彰顯了新型國際關系下的大國博弈聚焦科技競爭的整體態(tài)勢，也再次印證了“科技才是引領未來行業(yè)發(fā)展的驅動力，國家發(fā)展的支撐力”[2]。黨的十九屆五中全會[3]、2020年中央經濟工作會議[4]明確提出“‘十四五’時期，集中力量打好關鍵核心技術攻堅戰(zhàn)，在戰(zhàn)略必爭領域實現(xiàn)自主可控”；打好關鍵核心技術攻堅戰(zhàn)，需要“強化企業(yè)創(chuàng)新主體地位，促進各類創(chuàng)新要素向企業(yè)集聚”等重要指示。數(shù)字信號處理(Digital Signal Process，DSP)作為數(shù)字信號核心組成，在數(shù)字信號處理領域應用愈加廣泛。DSP技術可通過模擬信號轉換成數(shù)字信號，實現(xiàn)處理器的實時、高速工作，具有可編程、高速靈活、低功耗等特點，是是數(shù)字經濟時代的重要工具。

1 DSP技術發(fā)展歷程

DSP技術起源于美國，早在20世紀50年代就由美國科學家杰克·基爾比(Jack Kilby)率先提出，該技術的誕生主要是為了促進半導體集成電路的工作能效。60年代，杰克·基爾比半導體集成電路技術被Intel公司創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon Moore)采納，并在此基礎上通過大量實驗提出了摩爾定律，即：CPU集成電路中集成的晶體管數(shù)目，大約每2年翻1倍，而CPU性能也將提升一倍。該理論的提出，使得DSP技術發(fā)展進入全新階段。1978年，美國AMI成功研發(fā)了世界上首個單片DSP芯片(S2811)。1979年Intel公司發(fā)布的可編程器件2920，一時間DSP成為半導體領域核心技術，而美國成為這一領域的霸主國[5]。直到20世紀80年代，才被努力戰(zhàn)后恢復、加速科技發(fā)展的日本打破。1980年日本NEC公司推出具有硬件乘法器功能的單片DSP設備(D7720)。此后，在CMOS技術的發(fā)展帶動下，1982年美國德州儀器公司TI完成了DSP芯片成功研發(fā)，不久又推出了第3代DSP芯片，其應用范圍更為廣泛擴大。該技術的成功研發(fā)，奠定了90年代DSP的高速發(fā)展基調，TI公司相繼推出第4、5代DSP芯片，其中第5代DSP產品，采用VLSI(超大規(guī)模集成電路)技術，系統(tǒng)集成度更高、成本更低，運算速度更快。

2 DSP技術的主要應用

作為數(shù)字信號技術的核心組成，DSP廣泛應用于電力、數(shù)字通信、工業(yè)控制、虛擬儀器、汽車電子等領域，是現(xiàn)代科技發(fā)展不可或缺的關鍵技術之一。

2.1 數(shù)字通信應用

21世紀是多媒體時代，數(shù)據(jù)處理以及壓縮編碼算法的應用，實現(xiàn)了縮小數(shù)據(jù)占用空間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，其核心就是多媒體終端信息快速處理，DSP為實時實現(xiàn)大部分國際標準語音編碼解碼算法功能，移動通信語音壓縮和調制解調功能以及中、低速移頻功能提供了保障。

2.2 工業(yè)、制造業(yè)應用

DSP工業(yè)、制造業(yè)應用主要體現(xiàn)在儀器儀表領域。DSP由于具有豐富的片內資源，可以極大地簡化硬件電路，實現(xiàn)儀器儀表的片上系統(tǒng)設計(System On Chip，即SOC)。特別是在測量速度和精度方面，DSP片上系統(tǒng)能有效提高準確度，縮短運算周期，為工業(yè)開發(fā)制造業(yè)設計提供快速、高精度儀器的平臺。

2.3 汽車電子系統(tǒng)應用

汽車已成為當代民眾生活的必備產品，在汽車制造中，DSP同樣發(fā)揮著不可或缺的作用。電子系統(tǒng)的安全性、可靠性是汽車整體性能的保障，也是世界汽車發(fā)展的關鍵。當前，汽車電子系統(tǒng)中普遍采用紅外線或毫米波雷達完成汽車外部環(huán)境探測，例如：汽車防撞探測、汽車導航、汽車自動泊車系統(tǒng)等。這一環(huán)節(jié)中需要大量的數(shù)據(jù)處理分析，DSP對圖像數(shù)據(jù)的準確處理功能，是實現(xiàn)汽車智能化的基礎。

2.4 海底探測應用

海洋開發(fā)是21世紀資源利用的重要方向，臨海國家均制定了相關的開發(fā)計劃，基于計劃形成了多種輔助研發(fā)，其中，水下探測、航行信息等具有較為重要的意義。由于海洋開發(fā)面臨較為復雜的環(huán)境因素，如噪聲、魚叫聲、海浪聲等，都與海底偵查密切相關，直接影響著海底探測，即使通過模擬電路放大有用信號，也很難做到準確了解海底環(huán)境。應用DSP技術，能夠清晰辨別機械類發(fā)動機發(fā)出的周期信號與海浪聲、魚叫聲等非周期信號，從而實現(xiàn)航行信息、探索信號的穩(wěn)定及準確，并且根據(jù)所探測信號完成相關函數(shù)的相關處理運算，判斷信息避免“危機”等功能。

3 DSP技術特點

DSP之所以能夠被廣泛應用，總體歸結于其具有穩(wěn)定的性能。DSP優(yōu)越性能主要與其結構相關，DSP采用總線結構設計并綜合流水線技術操作，因而具有較好的靈活性、準確性，其運算速度也相對較快，可靠性強。在現(xiàn)代制造技術的推動下，DSP生產時間也呈現(xiàn)越來越短的發(fā)展趨勢。另一方面，DSP功耗大、系統(tǒng)復雜、應用的頻率范圍受到限制等，這些缺點也是DSP技術攻關的主要領域。

3.1 結構特點

當前DSP主要采用哈佛結構，該結構與傳統(tǒng)的馮諾依曼結構不同，其程序和數(shù)據(jù)采用獨立存儲空間設置，不存在存儲空間共享，其主要的傳輸也采用獨立地址、數(shù)據(jù)總線設定，極大地提升了DSP存儲器的尋址、獨立訪問、數(shù)據(jù)傳輸、指令調用等運行速度，除節(jié)省周期以外改設定可進一步提升DSP脫離總線后的運行速度，提高計算速度。

3.2 操作特點

DSP操作主要采用流水線技術，該技術可有效節(jié)省指令執(zhí)行周期時間。由于DSP在整體運行中需要遵從讀取指令、指令解碼、取操作數(shù)等過程，需要較長周期，而流水線操作則可使DSP運行中多種指令操作同時進行，互不干擾，并且基于一定的連續(xù)工作效率。最為重要的是，DSP在進行一條或多條指令操作的過程中，執(zhí)行周期內占用不同總線資源，確保DSP 處理器處理信號的精準度。

3.3 算法特點

DSP的運行需遵從一套特有算法，而基本上任何DSP器件內部都配備有專用的硬件乘法器，在運轉周期內DSP通過特有的乘法器和累加器快速完成操作數(shù)的乘法運算和累加運算，并通過“移位相加”原理實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的運算處理。因此，很大程度上人們衡量DSP芯片“好壞”的一個關鍵性因素就是運算處理器。

3.4 DSP的缺點

雖然DSP技術具有較多的優(yōu)點，并在各個領域被廣泛應用，但鑒于當前技術的局限性，DSP技術也存在一定缺陷，例如：DSP處理信號受頻率范圍限制、受匯編語言限制，芯片成本高、軟件開發(fā)效率較低、功率消耗較大，系統(tǒng)中高頻時鐘信息會引起高頻干擾及電磁泄露問題的產生等局限，對于 DSP 處理一些信號信息任務帶來一定的影響。

4 DSP技術發(fā)展趨勢及啟示

隨著全球經濟、科技的發(fā)展以及新時代數(shù)字經濟的發(fā)展，DSP技術必然會在信息化建設應用方面深入推廣。當前，DSP憑借其自身的優(yōu)點，已被廣泛應用于各個領域，尤其在電子、通信、控制、航空航天、醫(yī)學、軍事等領域發(fā)揮著不可或缺的重要作用。綜合來看當前科技發(fā)展趨勢強調“以人為本”“深度融合”等理念，不排除未來DSP 技術產品將向著家庭化、個人化趨勢延伸，同時鑒于服務領域延伸，DSP技術必然會在高度集成化、高性能、運行速度快、低功耗、簡單便攜等已有優(yōu)勢、特性的基礎上進步一 提升。

①加強DSP 融合化發(fā)展。DSP 的多通道結構及單指令多重數(shù)據(jù)等內核結構作為其優(yōu)勢基礎是支撐性能和應用的根本。在未來趨勢下，DSP與微處理器形成深度融合，既可以滿足數(shù)據(jù)處理，又可以增強智能性控制過程中單一的芯片處理器的多功能作業(yè)，降低功耗和整體系統(tǒng)成本費用是一個重要趨勢。

②提升DSP高性能化發(fā)展。電子產品競爭力的核心是高性能，而高性能也是所有電子產品發(fā)展的必然趨勢，現(xiàn)代市場經濟發(fā)展的主要需求。DSP作為高速度、高密度處理的電子產品代表，多核DSP和單核DSP技術相比，功耗更低，集成度也更高，更加準確，更加易于編程和調試。已有研究顯示，通過高性能嵌入式應用可有效提升DSP芯核集成，提高效率，同時如此改動可使DSP實現(xiàn)超高度集成，因此未來多核DSP是其重點發(fā)展方向，

③重視DSP人才培養(yǎng)。DSP作為現(xiàn)代尖端科技的代表產品，從設計到生產離不開人才培養(yǎng)及人力支撐，重視DSP專業(yè)人才培養(yǎng)也是促進該領域發(fā)展的重要方向。當前DSP涉及C語言、匯編語言等混合編程方法，以上方法很大程度上關乎DSP的靈活性能，就我國相關專業(yè)人才來看仍相對較少，且青年人才嚴重不足。因此，針對關鍵性技術應重視人才培養(yǎng)，豐富相關知識的科普方式，可通過課外興趣小組、競賽等形式提升青少年學習興趣[8]。